基于刚体动力学-离散元耦合数值方法的复合地层盾构滚刀响应

摘要：

随着盾构机制造技术的不断进步,隧道工程中使用盾构机的情况愈加普遍.滚刀作为一种优异的掘进刀具,在复合地层盾构机中普遍应用.滚刀在使用过程中处于动态滚动状态,离散多元化的岩土体将导致滚刀的动态状态呈现异常状态,从而导致滚刀和岩土体接触面间存在较大的相对滑动速率.在以往的离散元滚刀模拟中,研究者将滚刀设定为固定转速而未实现滚刀的动态滚动过程.使用刚体动力学(rigid body dynamics,RBD)-离散元(discrete element method,DEM)耦合的数值模拟方法,实现了在数值模拟中的滚刀动态被动转动,进一步贴近工程实际.以强风化岩为破岩对象,模拟分析了不同贯入度、不同运动速度下的滚刀的动态运动过程.基于初步研究分析发现:滚刀存在最优贯入度区间,低于该区间时滚刀不能进入动态转动状态,大于该区间时改善效果不明显且增大滚刀受力;滚刀启动时受到的扭矩先随滚刀运动而升高,到达某一峰值点附近后开始下降,随后在零值附近波动;滚刀启动峰值扭矩和运动速度正相关;滚刀达到峰值扭矩的时间和运动速度负相关.研究结果可为盾构刀盘刀具设计及盾构机的操作提供参考.

关键词：盾构隧道;滚刀;数值模拟;离散元(DEM);复合地层

所属期刊栏目：21

分类号：U455.43(隧道工程)

资助基金：国家自然科学基金面上项目52078428

在线出版日期：2021-12-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共7页

页码：13926-13932